电动车的800v高压快充架构技术分析

一、高压快充已成为充电难题的重要解决方案

1、充电焦虑亟待解决

缩短充电时间是目前提升电动车使用体验的关键。当补贴力度越来越弱，推力渐小，加速电动汽车产业化的解决方案要回归到本质上：主动地解决消费者关心的实际应用问题，目前来看消费者最为关心的问题就是续航和充电。如今车企推出的新车电池容量可做到100kWh，续航多在500km上下，甚至高达700km，续航不再是最大的负累。根据《Enabling Fast Charging:A Technology Gap Assessment》做的一项实验：在 525 英里（1 英里=1.6 公里）的旅程中，普通燃油车只需要加油一次，总耗时8小时23分钟；续航200英里50KW的直充电动车需要充电四次，每次充电耗时40分钟，旅途累计耗时10小时48分钟；续航300英里120KW的直充电动车需要充电1次，每次充电耗时68分钟，旅途累计耗时9小时16分钟；而续航300英里400KW的直充电动车单次充电仅需23分钟，旅途总计耗时8小时31分钟，整体耗时不输燃油车。加强充电基础设施建设，提升充电体验是大势所趋。

政策方面，《2020年政府工作报告》中将充电基础设施纳入“新基建”，成为七大产业之一；《2020年能源工作指导意见》中指出要加强充电基础设施建设，提升新能源汽车的充电保障能力；《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础建设的指导意见》中明确要在高速公路服务区建设超级快充、 大功率充电汽车充电设施。

2、ChaoJi快充标准即将落地

国内ChaoJi充电标准 2021 年发布，超级充电基础设施加速布局。ChaoJi充电源自中国大功率充电研究，并与德国、日本交流推进，可支持350kW-900KW大功率充电，充电电压1000-1500V，充电电流500-600A，10分钟增加续航300公里以上。新一代的ChaoJi充电技术路线发端于电动汽车大功率充电需求，但并不简单指大功率充电接口，而是一套完整的电动汽车直流充电系统解决方案。立项标准预计2021年底完成，并开启试点示范，预计2025年普遍安装。ChaoJi充电标准兼容性强，有望统一多国标准。ChaoJi技术解决了国际上现有充电系统存在的一系列缺陷和问题，为世界提供一个统一的、安全的、可靠的、低成本充电系统解决方案。

3、高压方案已获车企认可

车企纷纷布局高压快充方案。想要实现大功率充电，要么提升电压，要么提升电流，根据发热量公式 Q=I2Rt，电流的提升会导致电气系统发热加剧，对散热的要求很高。目前，高压快充成为行业的多数选择，2019年保时捷的Taycan全球首次推出800V高电压电气架构，搭载800V直流快充系统并支持350kw大功率快充。而进入2021年后高压快充路线受到越来越多主机厂的青睐，先是现代、起亚等国际巨头发布800伏平台，之后比亚迪、长城、广汽、小鹏等国内主机厂也相继推出或计划推出800V平台，高压快充体验将会成为电动车市场差异化体验的重要标准。从桩端看，高压零部件的成熟度较高。充电枪、线、直流接触器和熔丝等需重新选型，目前均有成熟产品，其余部件均无需改变。

从车端看，高压主要部件均需重新选型。高压电池、BMS、电驱、OBC、DC/DC、PTC、空调、高压连接器等均需重新选型。

二、全系高压快充有望成为主流架构

目前预计能实现大功率快充的高压系统架构共有三类，全系高压有望成为主流：（1）全系高压，即800V动力电池+800V电机、电控+800V OBC、DC/DC、PDU+800V空调、PTC。优势：能量转化率高，例如电驱动系统的能量转化率为90%，DC/DC 的能量转化率为92%，如果全系高压则不需要通过DC/DC来降压，体系能量转化率为90%，如果通过DC/DC降压，则体系能量转化率为90%×92%=82.8%。劣势：该架构不仅对电池系统要求很高，电控、OBC、DC/DC 中功率器件需要由Si基IGBT替换成SiC MOSFET， 电机、压缩机、PTC等均需要提升耐压性能，短期车端成本提升较高，但长期来看，产业链成熟以及规模效应具备之后，部分零部件体积减小，能效提升，整车成本会下降。

（2）部分高压，即 800V 电池+400V 电机、电控+400V OBC、DC/DC、PDU +400V 空调、PTC。优势：基本沿用现有架构，仅升级动力电池，车端改造费用较小，短期有较大实用性。劣势：多处使用DC/DC降压，能量损失较大。

（3）全部低压架构，即400V电池（充电串联 800V，放电并联400V）+400V电机、电控+400V OBC、DC/DC、 PDU +400V空调、PTC。优势：车端改造小，电池仅需改造BMS即可。劣势：串联增多，电池成本增加，沿用原有动力电池，对充电效率的提升有限。

三、系统性技术升级带来多处价值增量

1、动力电池：电芯、负极和 BMS 技术升级电芯一致性要求提升。800V平台电池串联数量较多，如果电池之间有差异性，电池使用寿命受到影响，对电芯生产工艺要求提高，一致性要求提升。负极改性或使用硅碳负极。动力电池快充性能的掣肘在于负极，可以通过石墨改性解决，即表面包覆、混合无定型碳，无定型碳内部为高度无序的碳层结构，可以实现Li+的快速嵌入；另一办法是使用硅负极，理论容量高（4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g），嵌锂电位高——析锂风险小——可以承受更大的充电电流。BMS 串联比例增加。

800V 电驱动系统电池组需要两倍数量的串联电池，因此需要两倍数量的电池管理系统电压检测通道。

2、电控、OBC、DC/DC：功率器件升级，SiC需求增加SiC MOSFET将加速替代Si IGBT。400V系统中，基本用650V、750V或 900V的功率模块以满足电控需求，800V系统中电驱动平台提升至1000V或1200V，IGBT模块承受的最大电压在650V左右，采用SiC材料耐压能力高，能降低损耗。而采用SiC结构，从硬件到软件都颠覆此前的系统，算法、硬件排布、包括电机方面ECM、高压绝缘系统也要升级。全球碳化硅产业链参与者众多，老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技。碳化硅产业链各环节与硅基产业链类似，主要包括衬底（对应硅片）、外延、工艺制造、设计、模组封装、系统应用等。

老牌玩家有英飞凌、Onsemi、Rohm、ST等，新兴专攻碳化硅领域的企业有Cree、SICC、BASIC、中科汉韵等，以及主车厂/Tier 1 企业比亚迪、博世等。目前碳化硅基功率器件市占率约5%，行业仍处于发展的早期，相关技术选型、工艺路线、客户绑定以及电动车格局等远未定型，给国内企业留下了足够的空间和时间。

目前，市场上导电型碳化硅衬底市场Cree一家独大。碳化硅外延片市场由Cree和Showa Denko双寡头垄断。碳化硅功率器件市场由海外巨头主导。国内碳化硅各环节全产业链布局，有望快速成长。衬底环节厂商包括天科合达、SICC、同光晶体、东尼电子等，外延厂商包括瀚天天成、东莞天域等，设计厂商包括上海瞻芯、上海瀚薪等，IDM 厂商包括泰科天润、中科汉韵、三安集成、华润微等。国内供应链在各个环节均有布局，而碳化硅仍在快速增长阶段，格局尚未固化，国内企业有望依托庞大内需市场调整海外巨头垄断地位。

3、高压连接器：用量和性能都将提升目前主流的充电桩是400V，且车端驱动部件以400V标准为主，为了满足800V架构，需要增加大量400到800V的DC/DC，从而增加连接器用量，新能源汽车单车使用连接器数量提升至800到1000个（传统汽车单车连接器数量约为500个）。而800V连接器设计要点较多，要满足热管理、EMC、车机震动和腐蚀等问题，尤其是800V交流电频率很快，导致EMC问题，给其他敏感零部件带来干扰，长期来看连接器品质升级是必然。从单车价值量的角度来说，在不含线束的情况下，一般高压连接器单车价值量为2000元左右，新增高压连接器在乘用车可以达到单车800-1500元，商用车可达1500元以上。

4、高压直流继电器：高压化、高性能拉升附加值800V下产品性能要求提高，附加值提升。继电器在新能源汽车中对电池充放电线路进行切换及保护，防止设备故障、短路、起火等，节省维护成本，对空调、转向、刹车、气泵、电机等进行通断控制，为新能源汽车核心元件。800V平台电压电流更高、电弧更严重，对高压直流继电器耐压等级、载流能力、灭弧、使用寿命等性能要求提高，产品需要在触点材料、灭弧技术等多方面改进，高压直流继电器高性能带来高附加值，乘用车单车价值量约为800-1400元， 预计800V电压平台单车价值量将提升40%。

5、熔断器：激励熔断器渗透率提高，单车价值量提升熔断器是新能源汽车必不可少的安全装置。随着电路保护要求提高，新型熔断器逐渐得到应用。传统电力熔断器无法根据保护要求调整，而新型的激励熔断器可以通过接收控制信号，激发保护动作。与传统熔断器相比，激励熔断器可根据车辆的工况需要，主动切断高压回路，使系统供电迅速断开，使高压端隔离，保护系统以及人身安全。全球熔断器市场主要集中在国外企业。2019 年CR3占比 64%。2019 年，全球前三的熔断器企业分别为Littlefuse、 Bussmann、Mersen，占比分别为31%、24%、9%，CR3 达到64%，格局较为集中。

在新能源汽车领域，熔断器集中度较高，中熔电气为国内第一。根据中国电动车百人会，2019年主流整车企业中， 中熔、Bussmann、Mersen占比分别为 55%、30%、10%，CR3占比达到 95%。熔断器企业竞争力主要体现在两个方面：一是定制化研发能力，熔断器需要根据下游定制化开发，新车型需要反复提出要求并修改，企业联合上下游灵活定制化研发的能力是壁垒之一；二是自动化生产效率，传统行业熔断器由于产品品类多、下游分散，不同型号产品较难自动化，而新能源汽车熔断器由于数量多、且为圆管，较易实现自动化，高度自动化产线在提升规模效应、降低不良率、控制成本方面具有重要作用。

6、薄膜电容：耐压及安全性升级，单车价值提升在新能源汽车运用中，电容器是能源控制、电源管理、电源逆变以及直流交流变换等系统中的关键元器件，电容器的寿命也决定了逆变器/变流器寿命。目前新能源车中主要用到三种薄膜电容——DC滤波、DC-Link、IGBT吸收。这三种电容中，DC-Link 电容（直流支撑电容）最为重要，在逆变器中直流电作为输入电源，需通过直流母线与逆变器连接，逆变器在从DC-Link得到有效值和峰值很高的脉冲电流的同时，会在DC-Link上产生很高的脉冲电压使得逆变器难以承受，所以需要选择DC-Link电容器来连接，一方面吸收逆变器从DC-Link端的高脉冲电流；另一方面也防止逆变器受到 DC-Link 端的电压过冲和瞬时过电压的影响。

薄膜电容器可部分替代电解电容器。随着电力电子技术向各领域拓展，薄膜电容器的应用越来越多，目前，660V交流电压等级变频器或功率单元需要耐压1200V的薄膜电容器，可以做到0.4元人民币/μF，在价格相等条件下，薄膜电容器等效电容量可以达到电解电容器等效电容量的一半。由于薄膜电容器的半永久寿命，使得这一领域中替代电解电容器具有极大的商业价值和技术价值。国内产品技术提升空间较大，国产薄膜质量和性能与国外著名品牌薄膜有比较大的差距，因此，国产优质薄膜电容器不得不依赖国外品牌薄膜支撑，这是我国薄膜电容器制造领域的短板，只有薄膜制造技术及产品的提升，整个薄膜电容器制造业才能进入良性发展。

7、系统性技术升级带来多部件价值量提升电池：提升负极与 BMS 性能，短期内高性能硅碳负极成本较高，随着产业化规模效应提升，成本有望下降到合理区间，短期单车价值量提升约3500 元；BMS由于串联的增多，价值量提升约40%，对应价值量1680元；电控及小三电：原有Si基功率模块需要替换成SiC功率模块，由此带来模块价值量提升约20%，对应价值量300元；以SiC器件功率器件为核心的电控及小三电价值量提升约15%，对应价值量1125 元；高压连接器：高压对连接器的要求更高，高压连接器单车价值量提升约800元。元器件：高压直流继电器单车价值量提升约40%，对应价值量300-560元；熔断器单车价值量提升约20%，对应价值量50-60元；薄膜电容单车价值量提升约20%，对应价值量80元。

四、车企纷纷布局，产业趋势明确

1、华为：打造行业内首个全栈高压平台解决方案2021年4月18日，华为给出了一套比较明确的技术目标：到2025年将推出电压平台超1000V、功率600kW的快充方案，5分钟即可实现30%-80%SOC充电性能。华为推出AI闪充动力域高压平台解决方案。其产品包括高压车载充电系统、高压异步电驱动系统、高压同步电驱动系统、高压电池管理系统、直流快充模块、三电云和高压热管理系统。全栈产品可帮助整车企业实现高压平台产品快速搭载落地。另外，从整车成本层面考虑，采用800V高压器件，初期成本可能会比原来400V电压平台略高。华为在发布会上称，高压架构下整车成本的上升不足2%，后期，基于技术快速迭代，一旦产业链趋于成熟，就可以快速拉低整个产业的成本。

2、小鹏汽车：车端、桩端同时布局车端：小鹏汽车发布了800V高压碳化硅平台，这一平台能够承受超过600A的充电峰值电流，平台采用高能量密度、高充电倍率电池，充电5分钟最高可补充续航200公里。桩端：480kW高压超充桩。这一高压充电桩能够充分发挥800V平台的补能技术潜力。

此外，小鹏超充将在站端带来自研储能充电技术，采用储能超充站及移动储能车两种方式，通过削峰填谷，为用户带来高效补能体验的同时减轻电网压力。快充车型：G9，预计2022年三季度交付。

3、广汽集团：车端、桩端同时布局车端：2021年广汽科技日上，广汽集团展示了最新的超级快充技术，其中分为3C 和6C两个版本，6C高倍率快充技术可以实现0-80%SOC只需8分钟，30-80%SOC只需5分钟。电芯方面：海绵硅负极片电池和超级快充电池技术；即将量产的车型，电芯能量密度大于280wh/kg，电池续航超1000km，未来电芯能量密度还将超过315wh/kg。能效方面，220-480kW充电功率，充电8分钟，续航200-400km。桩端：480kW充电桩，并大规模布局，预计到2025年，广汽埃安将会在全国300个城市建设2000座超充站，渗透至地级市，实现全覆盖。快充车型：AION V Plus，2021 年 9月 29 日上市。

4、长城汽车：已布局快充电池2021年12月8日，长城汽车子公司蜂巢能源在第二届电池日发布会上发布了800V超级快充电池系统，充电15分钟续航100公里，最大充电功率可达 480KW，灵活的高压架构支持800V和400V灵活切换，高安全的BMS耐压等级达 5000V，高效热管理使得电池在4C快充下电池包温升小于20℃。快充车型：机甲龙，预计2022年上市。

5、岚图汽车：全栈布局高压快充系统2021年9月26日，岚图汽车发布了最新800V高压超级快充技术，是一套动力电池和用电设备均为800V高压系统，无冗余升压装置的全新高压系统架构，包括超级快充系统、超低系统能耗、高性能电池、SiC电驱总成，并支持无线充电。该技术具备极致快速充电的能力，其中整车高性能电池搭载 4C 电芯，在360KW超级充电桩的加持下，充电速率可提升125%，实现充电10分钟，续航400公里。快充车型：有望在2023年量产。

6、比亚迪：基于 e 平台 3.0 打造快充技术e平台3.0的关键模块，体积更小、重量更轻、性能更强、能耗更低。标配全新热泵技术，电驱动系统升级为8合1模块，综合效率可超89%。搭载e平台3.0的电动车，零百加速可快至2.9s，综合续航里程最大突破1000km。800V闪充技术，电动车充电5分钟，行驶150km，百公里电耗比同级别车型降低10%，冬季续航里程至少提升10%。